能量收集主要視為提供電力不具有接入到電源或需要一個補充源的電池的電子設(shè)備的裝置。在許多情況下，它被用來在應(yīng)用中根本就足夠空間包括笨重的電池。經(jīng)典的實例包括可穿戴的技術(shù)，如健身工具和健康監(jiān)測裝置，以及在諸如環(huán)境或結(jié)構(gòu)監(jiān)測無線傳感器節(jié)點。通常情況下，能量從環(huán)境來源，例如太陽能，振動或溫度差收獲需要轉(zhuǎn)換，升壓并臨時存儲，然后才能被有效地利用。專門為能量收集應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換和功率管理集成電路的范圍越來越廣，現(xiàn)在可以從許多公司。的壓力，以確保這些裝置是高度集成的多功能操作和盡可能小。他們本身是非常低的功耗自不待言。本文將概述了蓬勃發(fā)展的“身打扮”市場和相關(guān)應(yīng)用的小型化的要求。然后，它會考慮近期推出的bq25570升壓充電器，帶有集成降壓轉(zhuǎn)換器，具有許多相似的替代和補充部分在一起。將參考TI的用戶指南，說明如何該設(shè)備可以得到最好的利用超低功耗，空間/重量限制的能量收集的應(yīng)用程序。

更多功能

越來越多的人的范圍可穿戴的設(shè)備，以幫助人們跟蹤他們的健身程序，監(jiān)測健康和提供醫(yī)療服務(wù)。的趨勢，與大多數(shù)便攜式設(shè)備，是提高功能的消費預(yù)期抬頭。一個心臟監(jiān)測儀將更具吸引力，如果它也采用了GPS跟蹤周期或跑步路線。現(xiàn)代穿戴式健康監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)在不僅監(jiān)視心電圖反應(yīng)，而且血壓，體溫，血氧含量，心臟率和活動水平。

圖1：能量采集將是許多穿戴式應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。左：Sensoria襪子配有壓力傳感器，通過藍(lán)牙進(jìn)行通信的腳鏈，以幫助識別和優(yōu)化運行方式(腳后跟/球罷工等)。附加的傳感器追蹤步數(shù)，速度，卡路里，高度和距離。右：可穿戴式輔助裝置的老人，由德國弗勞恩霍夫研究所開發(fā)，提供一系列的可編程服務(wù)，包括服藥提醒，健康監(jiān)測和緊急援助呼叫。無線連接可以用于發(fā)送收集到的被儲存和再分析數(shù)據(jù)的設(shè)備。作為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是在應(yīng)用所必需的，如智能建筑和環(huán)境監(jiān)測，其中從多個傳感器的數(shù)據(jù)被編譯。其結(jié)果是，有越來越多的傳感器，RF電路和更復(fù)雜的微控制器集成到智能手表，生物特征監(jiān)測器，ID標(biāo)簽，傳感器節(jié)點和其它可佩帶或遠(yuǎn)程應(yīng)用程序。然而，這樣的多功能設(shè)備將只能成功，如果他們有電荷之間合理的電池壽命，同時保持重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，穿著舒適。設(shè)計師們從腳步轉(zhuǎn)向能量收集利用周圍的能量，如身熱，或振動，以保持電池充電。在一些設(shè)備，如植入物，所采集的能量可以是唯一的電源。能量收集可以，因此，被視為一個有價值節(jié)省空間的技術(shù)，無論是更換電池或允許使用更小的，可再充電電池。電源管理是任何設(shè)備由電池供電或清理能源的重要組成部分。確保卓越的性能和高效率運行從非常低，常有不規(guī)則的來源，需要準(zhǔn)確度和精密度。許多IC制造商都瞄準(zhǔn)了這一市場，其中包括先進(jìn)的線性器件，將C​​ymbet，凌力爾特，美信集成，Spansion公司，意法半導(dǎo)體和德州儀器。每一代的集成度越來越高，體積更小，功耗更低比上一次。原則上，這些裝置包括獲取收獲的能量，轉(zhuǎn)換和/或升壓，然后將其提供直接向系統(tǒng)或可再充電的存儲設(shè)備的裝置。某些設(shè)計專用于一種特定類型的能量存儲裝置，如超級電容器或鋰離子紐扣電池的例子。其他人可能支持多種類型。類似地，一些可以專用于能量收集一種形式中，其他人可以支持幾個。很重要的一點看，根據(jù)不同的應(yīng)用，是所需要的啟動電壓。一些可以是低至20毫伏，但功能性可以是有限的，需要額外的補充部件，以提供完整的電源管理。更高度集成的部件可提供一個更小的整體尺寸和更低的總體靜態(tài)電流，但可能需要更高的啟動電壓，使它們更依賴于儲存能量的最低水平。一些設(shè)備顯然是針對超低功耗的傳感器節(jié)點。其他人會支持基于微控制器的設(shè)備所需的更高的輸入電壓等級，雖然MICROS自己將超低功耗的能量采集應(yīng)用。重要的是，電源管理IC需要有足夠的靈活性來處理間歇性的供應(yīng)和變化的，往往非常低，水平采集的能量的。該系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮到這一點，結(jié)合足夠的能量儲存能力在需要的時候提供穩(wěn)定的動力。在很大程度上將取決于頻率傳感器需要被讀取，多少和多久的數(shù)據(jù)需要傳輸。

高度集成

德州儀器(TI)提供了廣泛的超低功耗，為能量收集應(yīng)用的小型化設(shè)備，包括電源管理IC，無線連接和微控制器。它的一個最新推出的bq25570，描述為一個高度集成的能量收集納米電源管理解決方案。它符合所有的標(biāo)準(zhǔn)，利用能量采集空間受限，功率受限的應(yīng)用。包含在一個小巧二十導(dǎo)致3.5個3.5mm QFN封裝，該器件具有488 nA(典型值)和<5 nA的船舶模式的超低功耗靜態(tài)電流。評估模塊，bq25570EVM，也可用。詳細(xì)的產(chǎn)品和應(yīng)用信息的裝置datasheet¹提供的評估板用戶Guide.²是高度集成的，它最大限度地減少需要額外的設(shè)備，但外部電容器和電阻器。它同時實現(xiàn)了高效率的脈沖頻率調(diào)制(PFM)升壓充電器和納米供電的降壓轉(zhuǎn)換器，使其成為理想的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格的功率和運營需求。見下圖2：

圖2：TI的bq25570能量收集電源管理IC，具有升壓充電器和納米功率降壓轉(zhuǎn)換器的功能圖。它可以用于與各種高阻抗能量采集源，包括光生伏打(太陽能)，熱發(fā)電機(TEGs)和，通過加入一個AC / DC整流器，壓電發(fā)生器。冷，設(shè)備的DC / DC升壓轉(zhuǎn)換器/充電器最少需要330毫伏。這是假設(shè)輸入源提供至少5μW典型，并在升壓轉(zhuǎn)換器輸出的負(fù)載小于1微安的泄漏電流(包括存儲元件的漏電流)。然而，一旦操作和升壓轉(zhuǎn)換器的輸出達(dá)到1.8V，該設(shè)備要求100毫伏，它可以從能量采集源中提取。降壓(降壓)轉(zhuǎn)換器需要的輸入功率升壓轉(zhuǎn)換器的輸出，步驟下來，并提供在輸出引腳調(diào)節(jié)電壓。它采用PFM控制方式來調(diào)節(jié)電壓接近設(shè)定由用戶編程電阻分壓器。電流通過電感由內(nèi)部電流檢測電路來控制。啟動從船模時間約為100毫秒，同時啟動從待機模式比較快，但是取決于輸出電容的大小。該bq25570可用于許多類型的存儲設(shè)備，包括電容器，超級電容器，鋰離子電池等化學(xué)電池。收割機，預(yù)計將提供至少足夠的電力來存儲元件完全充電而在系統(tǒng)處于低功率或睡眠模式。電池或電容器必須具有足夠的容量，以提供整個系統(tǒng)的負(fù)載，而能量收集器不工作。與100μF等效電容存儲元件需要過濾PFM開關(guān)充電器的脈沖電流。 TI的用戶指南解釋一個電池和超級電容器之間的主要區(qū)別在于，該電池具有低于一定電壓很少或沒有容量，而超級電容器意愿。系統(tǒng)設(shè)計人員警告說，兩者都可以有，將出現(xiàn)在升壓轉(zhuǎn)換器的輸出直流負(fù)載顯著的漏電流。最大功率點追蹤(MPPT)被實現(xiàn)以提取和管理的最大功率可以從光伏電池(70至80%)和TEGs(50%)。對于電池供電設(shè)備的有效管理必不可少的其他功能還包括電池過壓和欠壓保護(hù)，自動熱關(guān)機可充電鋰離子電池。精確監(jiān)控電池狀態(tài)是另一個重要的功能，與以觸發(fā)負(fù)載電流的降低應(yīng)該系統(tǒng)在輸入欠壓條件的危險的能力。

替代品和互補

具有類似的功能，但更低的靜態(tài)電流為325 nA的，TI提供了bq25504與bq25505。這些器件具有一個獨立的電源多路轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動，一旦開始，可實現(xiàn)從能源采集源和原電池系統(tǒng)的運行，保證恒功率是在需要時可用，即使沒有能量可以從收割機。非常低的靜態(tài)電流是很重要的，當(dāng)系統(tǒng)包含無法完全關(guān)閉，從而延長電池壽命的設(shè)備。如果尺寸和重量是一個問題，那么TI建議一個更小，功耗更低線性電池充電器專為單節(jié)鋰離子紐扣電池，該bq25100。尺寸僅為0.9×1.6毫米WCSP封裝，設(shè)備支持的輸入電壓高達(dá)30V，并允許精確控制快速充電電流從最低為10 mA至250 mA的電流?；パa器件中，TPS82740A和TPS8274B降壓轉(zhuǎn)換器模塊支持200個mA的輸出電流用95%的轉(zhuǎn)換效率并消耗只是360 nA的操作的靜態(tài)電流，70 nA的待機模式。的6.7平方毫米的包并入切換調(diào)節(jié)器，電感器和I / O電容器。通過將所有必要的無源器件，該器件據(jù)稱是不是替代分立解決方案小75%。該TPS82740A是針對非常低的電壓應(yīng)用，而TPS8274B具有的整合低功耗微控制器，如TI的MSP430系列系統(tǒng)的電源管理“DCS控制”功能。

結(jié)論

選擇合適的電源管理IC，用于便攜式應(yīng)用程序利用能量采集需要仔細(xì)考慮系統(tǒng)的電力需求，能源生產(chǎn)潛力和能量存儲容量。在功率范圍的下端，用于無線傳感器節(jié)點，例如，或其中TEGs產(chǎn)生非常少量的能量，裝置的選擇是有限的。其中，小尺寸和輕重量是最重要的，一個更高度集成的器件，如本文中所強調(diào)，可提供最佳的解決方案。